Estación de carga portátil con baterías: guía técnica

Imagina el escenario: una salida de campo, cuatro estudiantes, tres teléfonos al 20 %, una cámara sin batería y un par de lámparas LED para trabajar al atardecer. La electricidad más cercana está a kilómetros. Una estación de carga portátil bien diseñada hace la diferencia entre terminar la práctica o suspenderla. En esta guía vas a construir esa estación desde los fundamentos: definir la demanda, dimensionar batería y panel, elegir la electrónica correcta y validar con datos que el sistema realmente cumple.

1) Qué vas a construir y cómo se organiza la energía

Una estación de carga portátil es, esencialmente, un pequeño sistema fotovoltaico aislado dentro de una caja robusta y fácil de mover. La energía fluye en este orden: Sol → Panel FV → Controlador de carga → Batería → Convertidores de salida → Dispositivos. El panel produce corriente variable según la luz; el controlador protege y optimiza la carga; la batería almacena; y los convertidores entregan tensiones estables (5 V USB, 12 V DC, e incluso 110/220 V AC si agregas inversor, aunque conviene priorizar DC por eficiencia).

El truco no está en “apilar componentes”, sino en equilibrar tres cosas: la energía que entra (sol), la que guardas (batería) y la que sale (tus cargas). Si dimensionas cualquiera de las tres “a ojo”, pagarás con sobrecoste, bajo rendimiento… o ambos.

2) Define tu objetivo con números (demanda diaria)

Antes de comprar nada, traduce tus necesidades a Wh/día. Supongamos un caso universitario típico: tres teléfonos que suben del 20 % al 100 % (≈ 8–12 Wh cada uno, usemos 10 Wh), una laptop pequeña que repone 60 Wh, dos lámparas LED de 10 W durante 4 h (40 Wh). Tu demanda diaria ronda 10×3 + 60 + 40 = 130 Wh. Añade un 10–20 % de pérdidas en convertidores y cables y redondea a 150 Wh/día. Ese número es tu norte: todo lo demás se diseña para sostenerlo con margen.

3) Batería: química, capacidad útil y vida real

Para sistemas portátiles hay tres familias comunes:

• LiFePO₄ (12.8 V nominal en 4 celdas en serie, “4S”). Muy estable térmicamente, larga vida (2000+ ciclos típicos), entrega bien la corriente y tolera descargas profundas. Peso moderado. Perfil de carga CC/CV con voltaje final ≈ 14.2–14.6 V y corte por corriente.

• Li-ion NMC/NCA (3.7 V/celda). Más densidad energética por kilo, pero requiere BMS muy confiable y mayor cuidado térmico.

• Plomo-ácido (AGM/GEL). Barato, fácil de conseguir, pero pesado y con DoD útil limitado si quieres que dure.

Si tu meta es 150 Wh/día y quieres un día de autonomía “con margen” (sin sol) descargando como máximo el 80 % en LiFePO₄, la capacidad mínima sería:

$$\text{Wh batería} \ge \frac{150}{0.8} \approx 187.5 \; \text{Wh}$$En 12.8 V, eso equivale a: $$\text{Ah} \approx \frac{187.5}{12.8} \approx 14.6 \; \text{Ah}$$Una batería LiFePO₄ 12.8 V / 20 Ah (≈ 256 Wh) te da margen cómodo y vida útil. Si esperas más usuarios o cargas más “pesadas” (cámaras grandes, radio, router), piensa en 30–40 Ah.

Perfil de carga (LiFePO₄): el controlador aplica corriente constante (CC) hasta acercarse al voltaje tope; después sostiene voltaje constante (CV) y deja caer la corriente hasta un umbral (p. ej., C/20), donde declara “batería llena”. Un BMS integrado protege contra sobrecarga, sobredescarga, sobrecorriente y temperatura.

4) Panel y controlador de carga: que lo que entra sea suficiente (y estable)

La energía diaria que puede meterse a la batería viene del producto de la potencia STC del panel (W), las Horas Sol Pico (HSP) y un Performance Ratio (PR) que resume pérdidas por temperatura, suciedad, cables y electrónica:

$$E_{\text{día}} \approx P_{\text{panel}} \times \text{HSP} \times PR$$Si estimas HSP = 5 y PR = 0.75 (conservador en equipos portátiles), un panel de 100 W rinde del orden de: $$100 \times 5 \times 0.75 = 375 \;\text{Wh/día}$$Suficiente para tus 150 Wh y para recuperar batería tras un uso exigente. Con 60 W aún llegas (≈ 225 Wh/día), pero dependes más del clima. Si la portabilidad te obliga a panel plegable de 60–80 W, compensa con más horas de exposición y gestión estricta del consumo.

En controladores tienes dos caminos:

• PWM: económicos y robustos, eficaces si el Vmp del panel está cercano al voltaje de batería (12–18 V). Pierdes algo de energía en climas calurosos o luz variable.

• MPPT: optimizan el punto de máxima potencia del panel y suelen dar 10–25 % más energía diaria, sobre todo con paneles de mayor voltaje. Para una estación universitaria con espacio limitado de panel, un MPPT de 10–15 A es una inversión inteligente.

5) Distribución de energía: salidas estables y pocas conversiones

La portabilidad no es excusa para improvisar salidas. Lo que funciona en campo es un bus DC principal a 12 V, del que cuelgan convertidores buck dedicados y protegidos:

1. USB-A 5 V con reguladores de 3 A estables y protección contra cortos.

2. USB-C con Power Delivery (PD) para entregar 9/12/15/20 V a laptops y tablets modernas; aquí usarás un módulo PD que negocia perfiles y se alimenta desde el bus de 12 V mediante un buck de calidad.

3. Salida DC 12 V para routers, radios, lámparas o compresores pequeños; pon conectores normalizados (Anderson SB50, XT60, 5.5×2.1 mm) y etiqueta polaridad y límite de corriente.

4. Inversor AC solo si es inevitable. El salto a AC trae pérdidas (5–15 % en inversor + convertidor del cargador del equipo). Para cargar una laptop con USB-C PD, evita el inversor: es más liviano y eficiente.

Detrás de cada salida debe haber protección: fusible o limitador electrónico, y si puedes, un interruptor individual. Agrupa negativos en una barra común para evitar bucles de tierra y ruidos.

6) Cableado, protecciones y caja: lo que hace “pro” a un equipo portátil

La mayor causa de fallas en estaciones caseras no es el panel ni la batería: son cables endebles, fusibles ausentes y cajas sin ventilación. Monta el sistema con criterios de baja tensión DC:

• Fusible lo más cerca posible de la batería; si la batería es de 20 Ah y tus picos no superan 15–20 A, un fusible 20–30 A de acción rápida protege el bus.

• Sección de cable según corriente y longitud. Para 10–15 A en trayectos cortos, AWG 14–12 es habitual; sube calibre si aumentas distancia o corriente.

• Prensaestopas y pasacables en la caja; nada de cables pellizcados por la tapa.

• Ventilación: los convertidores trabajan mejor fríos; deja rejillas o usa el chasis como disipador.

• Fijación mecánica de batería y electrónica; la estación viaja, así que soporta golpes y vibraciones.

• Conectores solares MC4 en el lado del panel, y un desconectador para aislar el generador en mantenimiento.

7) Dos arquitecturas portátiles que sí funcionan (y por qué)

A) “Ligera y diaria”: LiFePO₄ 12.8 V / 20 Ah + MPPT 10 A + panel plegable 100 W.
Pesa poco, carga rápido si hay buen sol, mueve sin problema USB-C PD de 60 W durante sesiones cortas y alimenta luces a 12 V. Recomendable para salidas de un día o campamentos con buena insolación. La clave es el MPPT para exprimir el panel plegable.

B) “Resistente y de reserva”: LiFePO₄ 12.8 V / 30–40 Ah + PWM 15 A + panel rígido 100 W montado en maleta.
Más pesada pero “tranquila”: gran colchón energético, cables gruesos, salidas DC generosas y un PD de 100 W que alimenta laptops exigentes. Ideal para equipos de investigación que cargan equipos varias veces al día. Con PWM, el panel rígido cerca de 18 V de Vmp funciona bien.

En ambas, evita depender de AC. Si un equipo lo exige, dimensiona un inversor puro de 150–300 W y úsalo lo menos posible.

8) Operación cotidiana: cómo se usa de verdad

La estación vive en tres modos sencillos. Modo Solar: conectas el panel apenas hay luz; dejas que el controlador gestione la carga y vas consumiendo conforme necesites. Modo Sobremesa: de noche o bajo techo, trabajas solo con la batería; aquí es clave vigilar el SOC. Modo Bypass o Carga auxiliar: si estás en laboratorio, puedes cargar desde fuente o adaptador de 14.6 V (LiFePO₄) que pase por el controlador, sin panel.

Aprende a leer tu sistema: el voltímetro de batería te orienta (en LiFePO₄, 13.3–13.4 V en reposo indica alta carga; 13.0–13.1 V media; 12.8 V baja; por debajo de 12.5 V presta atención). Aun mejor si integras un coulombímetro (contador de Ah/Wh) que no depende del voltaje instantáneo.

9) Validación con datos: demuestra que no es una “power-bank bonita”

No afirmes que tu estación “alcanza”; pruébalo. Un día despejado, registra cada hora corriente de carga del panel, tensión de batería y Wh acumulados por el controlador. Luego realiza un ciclo de descarga controlada: conecta una carga DC conocida (por ejemplo, 30 W en 12 V) y mide tiempo hasta llegar al umbral del BMS (o a 20 % de SOC). La autonomía teórica es:

$$t \approx \frac{E_{\text{bat}} \cdot \eta_{\text{salida}}}{P_{\text{carga}}}$$

Si tu batería es 256 Wh y el convertidor tiene η ≈ 0.9, cargar 30 W debería sostenerse por ≈ 7.7 h. Compáralo con tu prueba; si te quedas corto, revisa: temperatura en convertidores, caída de tensión en cables y consumo oculto (displays, ventiladores).

10) Seguridad y fiabilidad: pequeñas decisiones, grandes diferencias

Nunca cortocircuites el bus DC “para probar si salta el fusible”: destruye conectores y deja olores. Etiqueta polaridad en todas las salidas. Si trabajas con Li-ion sin carcasa comercial, no improvises BMS: compra packs con BMS integrado o arma el tuyo con especificaciones y pruebas. Evita dejar la estación encerrada al sol directo; la temperatura acorta la vida de todo. Y recuerda: las baterías se transportan con terminales protegidas y, si vuelas, bajo las reglas de la aerolínea.

11) Escalamiento inteligente: cuándo y cómo crecer

Si tu comunidad usa la estación más de lo previsto, crecer no es “poner otro panel y listo”. Primero aumenta el almacenamiento (p. ej., de 20 Ah a 40 Ah) y eleva el límite de carga del controlador. Después evalúa si el panel de 100 W se quedó corto: subir a 160–200 W es razonable si mantienes la portabilidad (dos plegables en paralelo, con diodos de bloqueo y cables adecuados). Para salidas de campo largas, añade un mástil o trípode que fije bien la inclinación y evita pérdidas por ángulo.

12) Un ejemplo completo y coherente (del cálculo al uso)

Vuelvamos al objetivo de 150 Wh/día. Elige una LiFePO₄ 12.8 V / 20 Ah (256 Wh). Monta un MPPT 10 A y un panel plegable 100 W. En un día típico (HSP = 5, PR = 0.75) recuperas ~375 Wh, más que suficiente para reponer la descarga y seguir usando la estación. Cablea el bus a 12 V con AWG 12, instala dos USB-A 5 V/3 A y un USB-C PD 100 W (con su módulo negociador). Cierra en caja IP-rated, con prensaestopas, fusible 25 A a 10 cm de la batería, voltímetro, coulombímetro y un interruptor maestro. Al final del día, tres teléfonos cargados, laptop operativa y luces funcionando, con batería al 60–70 % gracias al aporte solar. Eso es ingeniería útil.

13) Conclusión

Una estación de carga portátil bien pensada no es un “power-bank gigante”: es un sistema donde cada cifra tiene un propósito. Si defines la demanda con honestidad, dimensionas la batería con criterio, eliges un panel que de verdad llene esa batería y distribuyes la energía con pocas conversiones y buenas protecciones, obtendrás un equipo ligero, seguro y confiable que hará que tus prácticas y salidas de campo no dependan de un enchufe.

FAQ

1) ¿Cómo estimo la energía diaria que necesito (Wh/día)?
Suma el consumo de cada dispositivo (teléfonos, laptop, luces) y añade 10–20 % por pérdidas. Ese total es tu objetivo diario para dimensionar panel y batería.

2) ¿Qué batería conviene para una estación portátil?
LiFePO₄ es segura y durable; Li-ion es más densa pero exige BMS confiable; plomo-ácido es barato y pesado. Para portabilidad y ciclos, LiFePO₄ suele ser la mejor elección.

3) ¿Cómo dimensiono la capacidad de la batería?
Divide los Wh/día entre la profundidad de descarga (DoD) que aceptes. Ej.: 150 Wh/día / 0.8 ≈ 187.5 Wh → en 12.8 V ≈ 14.6 Ah; elige 20 Ah para margen.

4) ¿MPPT o PWM en el controlador?
MPPT extrae más energía en condiciones variables (≈10–25 %). PWM es válido si Vmp del panel se acerca al voltaje de batería y quieres simplicidad.

5) ¿Qué potencia de panel necesito?
Con HSP=5 y PR=0.75, 100 W producen ~375 Wh/día. Para una meta de 150 Wh, hay margen; con 60–80 W también puedes si gestionas uso y tiempos de exposición.

6) ¿USB-C PD o inversor AC para laptops?
Usa USB-C PD desde el bus de 12 V: es más eficiente y ligero. Deja AC solo cuando no haya alternativa.

7) ¿Qué protecciones y cableado debo incluir?
Fusible cerca de la batería, AWG adecuado, prensaestopas, ventilación y conectores correctos (MC4 para panel, DC estandarizados para salidas). Etiqueta polaridad y límites de corriente.

8) ¿Cómo verifico que la estación cumple?
Mide Wh cargados en un día y realiza una descarga controlada con carga conocida. Compara contra lo calculado y corrige panel, cables o convertidores si hay diferencias.

9) ¿Cómo leo el SOC sin BMS avanzado?
Usa voltaje en reposo como orientación en LiFePO₄ y complementa con un coulombímetro que cuente Ah/Wh para mayor precisión.

10) ¿Cuándo escalar la estación?
Cuando falte autonomía o potencia: primero aumenta batería y capacidad del controlador; luego amplía panel (p. ej., a 160–200 W) y verifica que cables y fusibles soporten la nueva corriente.